淺談固溶碳對提高鐵素體鋼以及奧氏體鋼疲勞特性的作用

  鋼鐵材料的主要構(gòu)成相不僅有鐵素體，奧氏體也是重要的構(gòu)成相。但是對室溫奧氏體的疲勞問題，過去沒有考慮應(yīng)變時效的影響。原因是，碳在奧氏體中的擴(kuò)散速度顯著小于在鐵素體中的擴(kuò)散速度。但實際上并非如此。近年來有研究報告報道了利用間隙原子（i）-置換原子（s）的相互作用，在奧氏體鋼中也出現(xiàn)了應(yīng)變時效硬化現(xiàn)象。具體而言，F(xiàn)e-Mn-C基的奧氏體鋼，由于Mn和C的相互引力作用，產(chǎn)生應(yīng)變時效硬化效應(yīng)。這種Fe-Mn-C基奧氏體鋼是因TWIP（孿晶誘發(fā)塑性）效應(yīng)而具有高延性、高強(qiáng)度的鋼。該鋼種的疲勞極限比不含碳的TWIP鋼的疲勞極限高。不含碳的TWIP鋼沒有應(yīng)變時效硬化現(xiàn)象，疲勞裂紋擴(kuò)展不能停止，而Fe-Mn-C基奧氏體TWIP鋼在疲勞極限時，疲勞裂紋擴(kuò)展停止。圖3是Fe-Mn-C基的TWIP鋼與無應(yīng)變時效的奧氏體鋼的疲勞壽命的比較。Fe-Mn-C基TWIP鋼的疲勞極限時的疲勞壽命長。原因是，在低應(yīng)力條件下，由于應(yīng)變時效硬化的作用，F(xiàn)e-Mn-C基奧氏體TWIP鋼中微小疲勞裂紋的擴(kuò)展速度較小。這就是說，通過產(chǎn)生應(yīng)變時效硬化的合金設(shè)計，可以提高奧氏體鋼的疲勞極限和接近疲勞極限時的疲勞壽命。過去，沒有進(jìn)行通過產(chǎn)生應(yīng)變時效硬化的合金設(shè)計，提高奧氏體鋼疲勞極限的嘗試，現(xiàn)在可以通過添加合金元素，使鋼產(chǎn)生應(yīng)變時效硬化來提高鋼的疲勞特性。

  關(guān)于固溶碳對提高鋼疲勞特性的作用，結(jié)構(gòu)材料有一定的使用壽命，在實際使用環(huán)境下的金屬結(jié)構(gòu)材料的損壞原因多是疲勞。疲勞斷裂發(fā)生在屈服強(qiáng)度以下。金屬結(jié)構(gòu)材料即使在沒有發(fā)生宏觀塑性變形的狀態(tài)下，在各種應(yīng)力反復(fù)作用下，金屬中的位錯組織不斷發(fā)生變化。其結(jié)果是，薄弱的位錯組織發(fā)生裂紋、裂紋擴(kuò)展、直材料斷裂。發(fā)生疲勞斷裂時的負(fù)荷循環(huán)次數(shù)叫做疲勞壽命。發(fā)生疲勞斷裂的極限應(yīng)力叫做疲勞極限。一般，將在一定應(yīng)力振幅作用下，對材料試樣反復(fù)施加107次疲勞負(fù)荷，試樣未斷裂的應(yīng)力振幅規(guī)定為疲勞極限。對于鋼鐵材料，疲勞裂紋擴(kuò)展時間大于疲勞裂紋萌生時間。因此，在研究鋼鐵材料的疲勞壽命時，疲勞裂紋的擴(kuò)展行為是重要的因素。此外，疲勞裂紋的擴(kuò)展行為也是疲勞極限的支配因子。

  關(guān)于過飽和碳與微小疲勞裂紋擴(kuò)展停止極限，本研究測定了晶內(nèi)微小裂紋擴(kuò)展停止極限的應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)。值得注意的是，0.002%C的IF鋼疲勞裂紋擴(kuò)展停止極限有顯著提高。這就是說，與傳統(tǒng)鋼相比，如果使鐵素體含有少量的過飽和固溶碳，由于應(yīng)變時效引起疲勞裂紋前端的動態(tài)硬度變化，可顯著提高微小疲勞裂紋擴(kuò)展停止極限。換言之，水淬使鐵素體中的固溶碳量增加，對于提高鋼的疲勞特性具有重要作用。

不銹鋼測試儀器導(dǎo)讀：超聲波測厚儀、紫外線燈、鐵素體測試儀。